气液相反应和反应

1、气液相反应和反应器分析气液相反应和反应器分析 化环学院 晋梅 概述概述 o气液反应过程气液反应过程 n气相反应物溶解于液相后，再与液相中的反应物进行反应的一种气相反应物溶解于液相后，再与液相中的反应物进行反应的一种 非均相反应过程非均相反应过程 n主要用于主要用于 o直接制取产品，如环己烷制取乙二酸，乙醛氧化制乙酸，气态二直接制取产品，如环己烷制取乙二酸，乙醛氧化制乙酸，气态二 氧化碳和氨水反应制取碳酸氢铵氧化碳和氨水反应制取碳酸氢铵 o化学吸收，脱除气相中某一种或几种组分，如热钾碱或乙醇胺溶化学吸收，脱除气相中某一种或几种组分，如热钾碱或乙醇胺溶 液脱除合成气中的二氧化碳，用铜氨溶液脱除合成

2、气中一氧化碳液脱除合成气中的二氧化碳，用铜氨溶液脱除合成气中一氧化碳 等等 1. 气液相反应动力学气液相反应动力学 o理论基础是由日本学者八田四郎次在双膜理论的基础上完理论基础是由日本学者八田四郎次在双膜理论的基础上完 成的成的 n用于气液相理论的研究还有表面更新理论和溶质渗透理论用于气液相理论的研究还有表面更新理论和溶质渗透理论 n三种模型在实际过程中的应用结果相差不大三种模型在实际过程中的应用结果相差不大 n用双膜理论来描述更为合适用双膜理论来描述更为合适 o气相反应物气相反应物A与不挥发的液相反应物与不挥发的液相反应物B进行反应进行反应 n反应过程反应过程 o分压为分压为pA的反应物的反

3、应物A从气相主体传递到气液界面从气相主体传递到气液界面 o在界面上在界面上A的气相分压为的气相分压为pAi，液相浓度为，液相浓度为cAi，两者处于相平衡状态，两者处于相平衡状态 o反应物反应物A从气液界面传入液相，在液相内浓度从气液界面传入液相，在液相内浓度 为为cA的的A与浓度为与浓度为cB的的B进行反应进行反应 o气液相反应过程存在反应相外部的质量传递气液相反应过程存在反应相外部的质量传递 和反应相内部的传质和反应同时发生的过程和反应相内部的传质和反应同时发生的过程 1.1 气液反应过程的基本方程气液反应过程的基本方程 o气液相反应中的传递过程方向气液相反应中的传递过程方向 n气相组分气相

4、组分A由气液界面向液相主体传递由气液界面向液相主体传递 n液相组分液相组分B由液相主体向气液界面传递由液相主体向气液界面传递 o气液组分的浓度分布气液组分的浓度分布 n采用双膜理论进行分析时，组分采用双膜理论进行分析时，组分A和和B的浓度梯度仅存在于液膜的浓度梯度仅存在于液膜 内，在液相主体中的浓度梯度为内，在液相主体中的浓度梯度为0 n如虚线所示如虚线所示 o反应的物料衡算反应的物料衡算 n在液相内离相界面为在液相内离相界面为z处取一厚度为处取一厚度为dz的微元体的微元体 n达到定常态时达到定常态时-A组分物料衡算组分物料衡算 扩散进入该微元体的组分扩散进入该微元体的组分A的量的量-由该微元

5、扩散出去的组分由该微元扩散出去的组分A=微元体中反应掉的组分微元体中反应掉的组分A的量的量 o组分组分A和和B反应级数为一级，反应级数为一级，DA为常数为常数 nB组分的物料衡算组分的物料衡算 o求解求解 n边值条件边值条件 表明穿过液膜进入液相主体的组分表明穿过液膜进入液相主体的组分A将在主体中和组分将在主体中和组分B进行反应进行反应-穿穿 过液膜的扩散量等于主体中的反应量过液膜的扩散量等于主体中的反应量 八田数八田数 单位反应器体积中液相总体积和液膜体积之比单位反应器体积中液相总体积和液膜体积之比 o八田数八田数 n无化学反应时的传质系数无化学反应时的传质系数 n物理意义物理意义 n类似于

6、气固相反应中的类似于气固相反应中的Thiele模数模数 o八田数可作为气液相反应中反应快慢程度的判据八田数可作为气液相反应中反应快慢程度的判据 nHa3，属于反应在液膜内进行飞速反应或快速反应，属于反应在液膜内进行飞速反应或快速反应 nHa0.02，属于反应在液相主体中进行慢反应，属于反应在液相主体中进行慢反应 n0.02Ha3，属于反应在液膜和液相主体的反应都不能忽，属于反应在液膜和液相主体的反应都不能忽 略的中速反应略的中速反应 1. 2 拟一级不可逆反应拟一级不可逆反应 o若液相组分若液相组分B大量过剩，液相中组分大量过剩，液相中组分B的浓度视为常数的浓度视为常数 o反应速率方程反应速率

7、方程 n按照一级反应处理按照一级反应处理 n方程方程 n方程的通解方程的通解 组分组分A在液膜内的浓度分布在液膜内的浓度分布 o组分组分A在液膜内的浓度分布在液膜内的浓度分布 n浓度分布为浓度分布为Ha和和 的函数的函数 n同时还可计算出伴有化学反应时通过液膜的传质通量同时还可计算出伴有化学反应时通过液膜的传质通量 nK1为伴有化学反应时的液相传质系数为伴有化学反应时的液相传质系数 n增强因子增强因子E o有化学反应时的液相传质系数与无化学反应时的液相传质系数之比有化学反应时的液相传质系数与无化学反应时的液相传质系数之比 o增强因子增强因子E n化学反应对过程有加速作用化学反应对过程有加速作用

8、 n加速作用实质表现在由于反应存在改变了液膜内反应物的浓度梯加速作用实质表现在由于反应存在改变了液膜内反应物的浓度梯 度度 nE为有反应时和无反应时的浓度梯度之比为有反应时和无反应时的浓度梯度之比 o液膜传质阻力忽略时，通过界面的传质通量表达液膜传质阻力忽略时，通过界面的传质通量表达 n等于液相主体均相反应速率计算等于液相主体均相反应速率计算 n液相有效利用率液相有效利用率-JA与与RA的比值的比值 o液相有效利用率液相有效利用率 n定义：气液反应过程中液相利用程度的度量定义：气液反应过程中液相利用程度的度量 n物理意义：与气固相催化反应中的内部效率因子相当物理意义：与气固相催化反应中的内部效

9、率因子相当 o当当JA=RA时，液相有效利用率为时，液相有效利用率为1，整个反应在液相中进行，整个反应在液相中进行， 表明反应是相对于传质十分缓慢的反应表明反应是相对于传质十分缓慢的反应 o在严重的扩散限制下，在严重的扩散限制下，JA3时，反应为快速反应或飞速反应，反应在液膜内或相界时，反应为快速反应或飞速反应，反应在液膜内或相界 面上完成，液相主体中组分面上完成，液相主体中组分A的浓度为的浓度为0，表观反应速率，表观反应速率 o反应器的生产强度与相界面成正比反应器的生产强度与相界面成正比 o采用相界面面积大的反应器，如填料塔、喷淋塔等采用相界面面积大的反应器，如填料塔、喷淋塔等 o当反应速率

10、较慢，要求较长反应时间时，采用板式塔当反应速率较慢，要求较长反应时间时，采用板式塔 o用何参数作为气液反应器选型的依据？用何参数作为气液反应器选型的依据？ n八田数八田数Ha n当当Ha0.02时，反应为慢反应，反应主要在液相主体内进行，时，反应为慢反应，反应主要在液相主体内进行， 组分组分A液相主体浓度接近于界面浓度，表观反应速率为液相主体浓度接近于界面浓度，表观反应速率为 o反应表观速率与液相分率成正比反应表观速率与液相分率成正比 o选用持液量大的反应器选用持液量大的反应器 n鼓泡床反应器，由于容易操作和控制常被采用鼓泡床反应器，由于容易操作和控制常被采用 n通气搅拌釜通气搅拌釜 n当当0

11、.02 Ha 0.02时，反应为中速反应，过程阻力可能集中在时，反应为中速反应，过程阻力可能集中在 相际传质，也可能出现在液相反应，或者两者都不能忽略相际传质，也可能出现在液相反应，或者两者都不能忽略 n要进一步借助要进一步借助 判断判断 o原因：原因： 的物理意义是可能最大主体化学反应速率与可的物理意义是可能最大主体化学反应速率与可 能的最大物理传质速率之比能的最大物理传质速率之比 o当当 时，过程阻力主要存在在相际传质，反应仅发生在时，过程阻力主要存在在相际传质，反应仅发生在 液相中的某一个狭小区域内，应选用相接面积大的设备液相中的某一个狭小区域内，应选用相接面积大的设备 o当当 时，过程

12、阻力主要存在液相主体反应，反应在整个时，过程阻力主要存在液相主体反应，反应在整个 液相主体中进行，应选用持液量大的设备液相主体中进行，应选用持液量大的设备 o当当 时，说明相际传质和主体反应的阻力都不能忽略，时，说明相际传质和主体反应的阻力都不能忽略， 应选用相界面积和持液量都大的设备。应选用相界面积和持液量都大的设备。 例题例题 3. 气液相反应器的设计计算气液相反应器的设计计算 o理想条件下，气液反应器中气液两相的流动方式的组合理想条件下，气液反应器中气液两相的流动方式的组合 n气液两相均为活塞流气液两相均为活塞流 o气液两相组成随着轴向位置改变而发生变化气液两相组成随着轴向位置改变而发生

13、变化 o并流或逆流操作的填料塔的流型接近这种流动方式并流或逆流操作的填料塔的流型接近这种流动方式 o理想条件下，气液反应器中气液两相的流动方式的组合理想条件下，气液反应器中气液两相的流动方式的组合 n气相为活塞流，液相为全混流气相为活塞流，液相为全混流 o气相组成随轴向位置的改变而改变，液相组成在反应器中保持均一气相组成随轴向位置的改变而改变，液相组成在反应器中保持均一 o鼓泡塔的流型接近这种流动方式鼓泡塔的流型接近这种流动方式 o理想条件下，气液反应器中气液两相的流动方式的组合理想条件下，气液反应器中气液两相的流动方式的组合 n气相和液相均为全混流气相和液相均为全混流 o气液两相的组成在反应

14、器中均保持均一气液两相的组成在反应器中均保持均一 o通气搅拌釜的流型接近这种流动方式通气搅拌釜的流型接近这种流动方式 3.1 填料塔的设计计算填料塔的设计计算 o逆流操作的填料塔内进行气液相反应逆流操作的填料塔内进行气液相反应 n在塔内取一微元做物料衡算在塔内取一微元做物料衡算 o积分，得到填料层高度积分，得到填料层高度 增强因子法增强因子法 拟一级快反应拟一级快反应 全塔物料衡算全塔物料衡算 气膜阻力忽略时气膜阻力忽略时 拟一级快反应的填料层高度计算式拟一级快反应的填料层高度计算式 3.2 鼓泡塔的设计计算鼓泡塔的设计计算 o高径比较大时，气相流动接近活塞流，液相接近全混流高径比较大时，气相

15、流动接近活塞流，液相接近全混流 n液相浓度处处相等，等于出口浓度液相浓度处处相等，等于出口浓度 n全塔物料平衡确定液相出口浓度全塔物料平衡确定液相出口浓度 n对鼓泡床内一微元进行物料衡算对鼓泡床内一微元进行物料衡算 与填料塔的设与填料塔的设 计方程一致计方程一致 o在鼓泡塔中在鼓泡塔中 n液相浓度因为全混流的存在认为是恒定的液相浓度因为全混流的存在认为是恒定的 n气相总压随着塔高的变化而变化，假定气相总压随塔高呈线性变气相总压随着塔高的变化而变化，假定气相总压随塔高呈线性变 化化 拟一级快反应且拟一级快反应且 忽略气膜传质阻力时忽略气膜传质阻力时 积分积分 o整理整理 设计实例设计实例 3.3 通气搅拌釜的设计计算通气搅拌釜的设计计算 o高径比不太大时，气相和液相均可高径比不太大时，气相和液相均可 视为全混流视为全混流 n物料衡算为一代数方程物料衡算为一代数方程 n设计任务规定：已知气液相进口流量设计任务规定：已知气液相进口流量 和组成，计算达到所规定的气相或液和组成，计算达到所规定的气相或液 相出口组成或转化率所需要的反应器相出口组成或转化率所需要的反应器 体积体积 o反应在液膜内完成的快反应系统反应在液膜内完成的快反应系统 n液相主体中气相组分